2022年冬奥会北京赛区场地照明工程应用

杨 波

(玛斯柯照明设备上海有限公司，上海 201107)

引言

第24届冬季奥林匹克运动会将于2022年2月4日在北京开幕，本次冬奥会共设7个大项、15个分项、109个小项的比赛，金牌总数将达到109枚，创冬奥历史新高。本次冬奥会分为北京赛区、延庆赛区和张家口赛区，承担全部滑冰、滑雪、冰球、冰壶、冬季两项、雪车和雪橇的比赛任务。本文就笔者亲自参与的部分赛事照明工程包括首钢大跳台、国家体育馆、国家游泳中心、国家越野滑雪中心等项目的应用实践进行了总结归纳，希望对中国冰雪运动场地照明的发展有参考作用。

1 冬奥会场地照明要求

从2016年的里约奥运会开始，LED灯具逐步取代金卤灯成为体育赛事场地照明应用中的主流技术，2018年平昌冬奥会以及2020年东京奥运会，所有场地照明均采用LED技术，4K转播技术应用到电视转播中，这一点在OBS体育转播照明通用指南中体现得非常明显。

体育照明的对象和需求不同于其他照明。它更加侧重对场内外的眩光和外溢光的控制、确保提供给运动员发挥出最佳竞技状态的光环境，能让观众在舒适、无眩光、无外溢光状态下观看比赛、记分牌、视屏和场地内的一切活动，提供给媒体确保图像质量、无阴影和眩光的拍摄环境。

我们常见的与赛事照明有关的标准分为国际照明委员会(CIE)标准、国际单项体育组织标准、国际转播机构标准以及国家或地区标准。我国国内标准主要有《体育场馆照明设计和检测标准》(JGJ 153—2016)[1]、《体育建筑电气设计规范》(JGJ 354—2014)[2]、《LED体育照明应用技术要求》(GB/T 38539—2020)[3]等。国际奥委会电视转播机构(OBS)就冬奥会照明标准专门出版了《Sports Broadcast Lighting Generic Guidelines》对奥运赛事场地照明做出了详细的要求，与其他场馆的照明要求有显著差别，主要体现如下：

1)摄像机垂直照度(Ec)要求最小值大于1 600 lx。不同于其他标准要求的平均照度，OBS要求的是最小值，奥运会比赛期间的最低限值；移动式摄像机垂直照度(Ev)不低于“主”摄像机照度的0.7倍。

2)均匀度要求大幅度提高。这是对赛事场地照明设计的一大挑战。摄像机垂直照度最小值/最大值U1≥0.7(高于JGJ 153 VI级HDTV转播重大国家、国际比赛的0.6)，最小值/平均值U2≥0.8(高于JGJ 153 VI级HDTV转播重大国家、国际比赛的0.7)；比赛场地每个计算点上四个方向上的最小垂直照度与最大垂直照度之比不小于0.6。

3)均匀度梯度UG大幅度提高到每2 m均匀度梯度小于10%。JGJ 153中要求当计算和测量网格小于5 m时，每2 m不应大于10%；当计算和测量网格不小于5 m时，每4 m不应大于20%。

4)眩光指数(摄像机)提高到低于40。通常场地的眩光指数要求为不高于50。大大提高了对场地的眩光控制要求，对灯具的安装位置有更高的要求。

5)对光源色度参数提出了新的要求。除了要求显色指数Ra≥85，相关色温Tk≥5 600 K以外，还提出了电视转播颜色复现指数TLCI的要求大于85，特殊显色指数R9不小于45。

6)完全无频闪照明(Flicker Free)，避免镜头眩光。要求频闪不应影响极慢动作摄像机(通常为300～900帧/s以上)的拍摄。对灯具的最终位置和摄像机的几何关系提出了严格要求，这也意味着对奥运体育建筑提出了很高的要求。

从以上特殊要求可知，奥运转播要求的不仅是更多的光，而且是更高质量的光，因为高质量转播照明要求的光本身并未改变，只是随着技术进步的影响，将演播室照明设计理念应用到冬奥场馆中是确保转播团队制作高品质图像的关键，从而对光的质量提出了更高的要求。

2 国家体育馆——如何降低冰场挡板阴影成为一个行业难题

奥运会冰球比赛场地尺寸一般为60 m×30 m(图1)，冰球场由107 cm高的挡板围住，挡板会产生阴影，挡板上方会有防护玻璃嵌板，玻璃嵌板会产生反光，这都需要在照明设计中考虑。在实际工程中，挡板阴影成为困扰场地使用方的一大世纪难题，很多场馆建设方、设计顾问方、管理方想尽了各种办法来消除挡板阴影，降低阴影对运动员和比赛的影响，但收效甚微。细心的电视和现场观众在观看职业冰球联赛时应该可以清晰地看到球场上的阴影，包括很多职业冰球赛场。图2为一个实际工程案例中的阴影，可以看出阴影十分明显，图2左图中挡板阴影区照度与场地区照度比值约为0.51～0.53，图2右图中挡板阴影区照度与场地区照度比值约为0.64～0.66，图2右图较图2左图有改善，但阴影还是很明显。图3为挡板阴影非常明显的冰球场地。

图1 冰球比赛场地Fig.1 Ice hockey rink

图2 冰球比赛场地挡板阴影Fig.2 Ice hockey rink board shadow

图3 挡板阴影非常明显的冰球场地Fig.3 Ice hockey rink with hard rink board shadows

为了尽量将阴影控制在最小的范围内，我们从灯具平面布置、型号选择、配光应用、投射角度等方面进行了精心设计，以求达到最佳效果，最终控制挡板阴影区照度与场地区照度比值达到0.75以上，现场肉眼感觉阴影已经不明显。对比全世界现有的冰球场地，国家体育馆的挡板阴影控制得已经是最好的之一，在解决这个世界性的工程难题方面取得了飞跃式的进步(图4)。

图4 国家体育馆挡板阴影控制Fig.4 Shadows from the boards were minimized at National Indoor Stadium

在设计时我们不仅充分利用了内、外两圈马道，还利用了当中的连接马道并设计了特殊安装支架，将部分灯具安装到没有马道但可以安装灯具的地方，满足照明设计的要求，达到最佳的照明效果。

灯具选型方面，我们选择了192套TLC-LED-1 200W和50套TLC-LED-400W的灯具安装在32～35 m高的马道上，灯具色温为5 700 K，显色指数最小值为90，高于通常标准中的平均值90的要求，特殊显色指数R9≥61，TLCI≥90，眩光指数最大值仅为19，远远低于最高限值。同时其他参数和设计结果均满足OBS要求。最终实际效果如图5所示。

图5 国家体育馆实际效果图Fig.5 Real scene image of National Indoor Stadium

3 首钢大跳台——场地照明设计及Ball-TrackerTM技术的应用

首钢滑雪大跳台中心是2022年北京冬奥会自由式滑雪大跳台和单板滑雪大跳台比赛项目场馆。首钢滑雪大跳台由赛道、裁判塔和看台区域三部分组成，赛道长164 m、最宽处34 m、最高点60 m。选手从大跳台滑下后，将完成空翻、回转等技术动作。北京冬奥会时，首钢滑雪大跳台将产生4块金牌。2019年首钢大跳台已成功承接了2019沸雪北京国际雪联单板及自由式滑雪大跳台世界杯赛事。

3.1 场地照明设计

大跳台场地照明设计按照出发、助滑道、起跳、空中飞行、着陆、停止区的不同照明需求区分。在与建筑照明顾问反复沟通并进行了多稿设计后，为了更好地体现出建筑特色，不破坏原有建筑轮廓，我们采用了更符合建筑特色的短杆体育照明解决方案。将大跳台原助滑道到起跳区原设计的6根近70 m的高杆替换成16根9.1 m、可以直接与建筑钢结构本体连接的短杆设计，此为大跳台场地照明的创新使用，完美替换安装到地面的大灯杆，达到更好的效果，如图6所示。

图6 原有高杆设计方案与实际短杆设计方案实景效果比较Fig.6 Comparison between the original high pole design and the actual short pole design

首钢大跳台的场地照明设计以满足奥运比赛功能为原则，采用了不同功率和型号的大功率LED灯具，出发区的灯具为中功率LED灯具，安装在其上方的钢结构上；助滑到起跳区空间采用中大功率LED灯具，安装在短杆上，短杆上同时安装了RGBW灯具；起跳到缓冲区主要为大功率LED灯具，安装在地面6根高杆上；同时安装了部分提供空中照度的Ball-TrackerTM灯具，提供足够的空中照度，满足主摄像机最小值为1 600 lx，并确保运动员运动轨迹清晰可见且不受照明影响。选用的灯具型号多达6种，其中TLC-LED-1200W 68套、TLC-LED-900W 8套、TLC-LED-1500W 86套、TLC-LED-600W 4套、TLC-LED-575W 8套、TLC-RGBW-600W 16套，场地照明总功耗为226.82 kW。

3.2 Ball-TrackerTM技术在大跳台的首次使用

在起跳和空中飞行区，除了满足奥运照明技术指标以外，我们还特意设计了特色的TLC-LED-575W的灯具，即Ball-TrackerTM技术,为起跳区上空提供充足的空中照度，提高空中能见度，使运动员的每个动作清晰可见，让观众和摄像机更清晰地捕捉到运动员起跳后空中的运动轨迹，如图7、图8所示。图8中上图为Ball-TrackerTM技术下，空中球清晰可见；下图为传统技术下，空中球效果不佳。图9显示为项目完工后的实际效果。

图7 Ball-TrackerTM技术让运动员动作清晰可见Fig.7 Ball-TrackerTM Technology provides visibility of athletes’ movements

4 张家口国家越野滑雪中心——LSG系统在室外场地的应用

张家口古杨树赛区越野滑雪2.5km转播赛道的照明设计方案共计采用了1 298套TLC-LED-1500W的大功率LED灯具LSG系统，灯具色温5 700 K，Ra>90，R9>61，TLCI>90，频闪百分比小于1%，满足OBS要求，图10所示为项目实景图。

4.1 照明设计

(1)赛道根据摄像机覆盖范围分段设计，每段赛道的固定摄像机垂直照度最小值>1 600 lx，均匀度U1>0.7、U2>0.8。

(2)技术楼(体育场)区域的灯杆设置在外围，减少主要摄像机拍摄范围内的灯杆影响。此区域采用较高的灯杆，高度为40 m和50 m，共8根。

图8 Ball-TrackerTM技术与传统技术的对比Fig.8 Comparison between Ball-TrackerTM Technology and traditional technology

图9 2019沸雪北京国际雪联自由式滑雪大跳台世界杯赛事Fig.9 2019 Air & Style Beijing Fis Big Air World Cup

图10 国家越野滑雪中心现场实景照片Fig.10 Real scene photo of National Cross-Country Skiing Center

(3)2.5km赛道选用的灯杆为27 m标准LSG系统，共51根，根据摄像机位的设置将灯杆布置在摄像机的同侧，确保摄像机照度。在两个雪道相邻并行时，采用共杆的设计，并且将灯杆布置在非邻近区域，减少对运动的影响。所有灯杆布置根据地形高低起伏设置。

(4)FOP照明设计采用了数十种不同配光的光线，设计评估了场地特点、场地尺寸、灯具安装高度、照度要求以及光线投射角度、距离等各方面因素的影响，对于场地内、场地边、场地角等不同区域，结合光线投射距离远近和角度，多种光线配合使用，达到最佳的照明效果。

(5)大部分灯具安装在灯杆顶端，部分投射距离较近的灯具安装在灯杆中部，有利于光线的有效利用。两种安装位置的灯具都能确保灯具的投射与水平方向的夹角≥25°，即灯具投射与竖直方向的夹角≤65°。

4.2 眩光和外溢光控制

(1)TLC-LED系列灯具采用特制的内置单片式反射片和外置眩光控制器结合的方式控制光线，照明方式更准确、更灵活、更节能，保证照明设计效果。

(2)灯具内部配有精心设计的透镜、反光片和单片式反射片，实现光线精准控制。灯具内部透镜、反光片如图11所示。

(3)灯具配有特殊设计的外置眩光控制器，多种不同尺寸的外置眩光控制器根据场地特点和光线的具体投射来选择使用，如图12所示。

图11 灯具内部透镜、反光片Fig.11 Internal lens and reflector of the fixture

图12 灯具外置眩光控制器Fig.12 External light control visor of the fixture

图13 Musco(左)和其他LED灯具(右)的实际场地效果对比照片Fig.13 Comparison between Musco(left) and other LED (right)

(4)外置眩光控制器结合灯具的内置眩光控制器的综合使用，可以很好地控制眩光，同时将原本投射到场地外的光线投射到场地，提高光线利用率，图13为Musco灯具与其他LED灯具的场地效果对比图。

4.3 LSG系统的应用

LSG标准5件套系统，极大地减少了现场的安装和调试工作量，加快了工程进度。

TLC-LED系列灯具配备专业设计的成套LSG系统，从混凝土桩基，到镀锌钢杆、杆内线束、电气箱以及杆顶照明组件为一套完整的照明设备(图14)，自带激光瞄准系统，现场安装简单迅速，不用现场制作钢筋混凝土基础，可大大缩短工期，降低施工费用。

图14 LSG标准5件套系统Fig.14 LSG 5 Easy Pieces System

(1)灯具万向节投射角度工厂设置和灯杆激光瞄准系统：每个灯具的水平投射角度和垂直投射角度是根据项目设定好并且在出厂前全部调好(图15)，现场只需根据具体情况的调整做出微调，灯杆激光瞄准系统使安装极为简单且调试容易，保证了照明设计结果与实际安装效果相同。

图15 工厂预调灯具角度和LSG系统激光瞄准装置Fig.15 Factory preset angle position and Pole Alignment system

(2)工厂定制安装支撑臂：作为标准5件套产品之一，灯具通过支撑臂与灯杆链接，每根支撑臂上带有的瞄准刻度盘可协助现场快速简便安装，利于维护或重新调整安装位置，安全高效。所有线束内部走线，安装便捷、安全可靠，外形简洁、美观、坚固，无外露导线。

(3)杆内线束：自带成品线束快速接头，并带有防坠系统，安全可靠，自带编号，快速简单完成安装。

(4)镀锌钢杆：灯杆与基础套接式安装，快速简单，每根灯杆自带激光瞄准系统，现场快速简便定位灯杆转向。

(5)预制混凝土桩基：施工面小，开挖直径小，不需要支模、绑钢筋过程，施工周期短。基础自带接地系统，基础养护周期短，隔天可以吊装。

(6)工厂定制电气箱：驱动器与灯具分体设计，分体距离最远可达2 000 m，有利于灯具及驱动的散热，延长使用寿命；驱动器箱安装在灯杆底部，降低灯杆承重，安装灵活、便捷，有利于日常维护。

5 RGBW灯具与大功率LED灯具首次在奥运会比赛场地内综合使用

生活中需要七彩阳光，色彩的变化给人们带来美好的愉悦感，奥运赛场追求更快、更高、更强、更团结，赛场照明都是按最高标准提供，在本次北京冬奥会赛场建设中，我们首次尝试给奥运赛场增添了色彩，运用RGBW灯具与赛场照明结合，为奥运体育赛事的娱乐性和互动性提供支持，为比赛场地的氛围营造和体育展示提供了很多可能的选择，同时也为赛场的后奥运时代的运营提供了很好的系统支持和良好条件。

我们采用600 W的RGBW灯具，可以提供红、绿、蓝、白光LED输出，红色光输出达到12 000 lm、绿色光达到18 000 lm、蓝色光达到9 000 lm、白光28 500 lm，灯具重量18 kg，反射器采用TIR光学透镜，每套灯具含224个LED光源，外置眩光控制器长度有24英寸、16英寸、12英寸可选，遮光板末端可调节挡板提供现场微调以增强外溢光和眩光的控制。灯具可以提供图16中三角形里面的所有颜色，图17为TLC-LED-RGBW灯具图。

图16 RGBW提供的颜色选择Fig.16 Color range provided by RGBW

图17 TLC-LED-RGBW灯具Fig.17 TLC-LED-RGBW fixture

5.1 首钢大跳台赛道RGBW灯具应用

在首钢大跳台项目中，我们共采用了16套TLC-LED-RGBW灯具，安装在16根嵌套在整体钢结构中的9.1 m高的短杆上，来覆盖整个大跳台赛道区域，得到了非常好的效果，图18为首钢大跳台赛道RGBW灯具应用实景图。

图18 首钢大跳台赛道RGBW灯具应用实景图Fig.18 Real scene photo of RGBW application in Shougang Big Air

5.2 国家游泳中心RGBW灯具应用

24套600 W TLC-LED-RGBW灯具沿26.5 m高的马道四周均匀分布，给比赛场地提供良好的彩色照明效果，极好地烘托了赛场气氛，给观众提供良好的视觉感受，并可结合不同的应用场景使用，给赛场营运带来非常好的便利，图19为部分实景效果图。

5.3 国家体育馆RGBW灯具应用

32套600 W TLC-LED-RGBW灯具沿33 m高的马道均匀布置，给北京冬奥会男子冰球比赛场地18 000座、建筑面积达80 000 m2的“冰之帆”提供了七彩灯光，可以给赛中、赛前、间歇期和赛后营运包括演唱会和其他大型活动提供了很好的舞台。图20为部分实景效果图。

图19 国家游泳中心RGBW效果实景图Fig.19 Real scene photo of RGBW application in National Aquatics Center

图20 国家体育馆RGBW效果实景图Fig.20 Real scene photo of RGBW application in National Indoor Stadium

6 结论

冬奥比赛的过程是短暂和精彩的，其建设过程却是繁重和复杂的，成千上万的建设者为冬奥工程倾注了他们的心血，也留下了丰硕的成果和遗产。这个过程中的创新和经验总结必将影响中国的场地建设很长一段时间，引领行业的发展。从国家体育馆到首钢大跳台、从张家口国家越野滑雪中心到国家游泳中心，我们创造了很多的第一，为2022北京冬奥会的顺利举办提供了最好的比赛光环境和氛围。发展冰雪运动，实现“3亿人参与冰雪运动”，满足群众多样化体育文化需求，推动全民健身和全民健康的深度融合，对于建设健康中国和体育强国，促进经济社会发展，实现中华民族伟大复兴的中国梦具有重要意义[4-6]。